系列风电机组事故分析及防范措施（二）——因顺桨控制故障引发的飞车事故

国内外都发生过风电机组倒塌、烧毁等重大事故。事故发生后，若能对这些事故进行认真分析、总结，找出事发时的真实原因，并采取有效的预防措施，就能尽量避免类似事故的再次发生。就机组飞车事故而言，其预防措施应建立在准确分析、抓住重点、讲求科学的基础上，并综合考虑各种因素使度电成本最低。下面就具体事例进行阐述和分析。

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三桨叶同时不能顺桨引发的飞车事故

下面事例都是因三支叶片同时不能顺桨而引发的机组失控、飞车事故。事故机组均使用的是电池为后备电源的直流变桨系统，采用的同一厂家生产的同一型号主控。从多年众多同类型机组的维修来看，事故机组的主控、变桨、变频等主要部件的质量较优，未发现轮毂后备电池及其他关键部件存在设计或质量问题。

一、某风电场机组的烧毁、倒塌事故

某风电场监控人员发现，事故机组报发电机超速，在短暂的停机后，机组又再次不明原因迅速启机。事故机组飞车后，机舱全部烧毁，主控数据无法获取。从现场人员及现场勘察了解到，事发时风速约为10m/s，事发后三支叶片都在零度位置，均未顺桨。

因能得到的有用信息较少，事故分析具有一定的困难。然而，在事发过程中却留下了诸如“再次迅速启机”等特殊现象。通过剖析这些现象，并给出合理解释，或许能找到事故发生的确切原因。

二、某风电场的机组飞车事故

某风电场，在中控室发现事故机组通讯中断，到达现场后，叶片已回到92°限位开关位置。上机舱，如图1、图2 所示，主轴刹车片已完全磨损，刹车盘严重磨损，两边均有较深的磨痕，刹车器保护罩已部分烧熔，且严重变形；发电机侧的柔性连接片已经全部脱落，刹车盘与发电机之间的联轴器掉落在机舱；主轴刹车器上方的机舱罩壳隔热层烧灼严重；通讯滑环完全断裂，并脱落在机舱内；发电机已从弹性支撑上严重移位，弹性支撑的固定螺栓绝大部分已经断裂，发电机转子窜动严重。塔基变频器处给机舱提供交流690V 的继电器跳闸。

从主控数据可知： 事发时， 机组的发电功率为1472kW，风速为15.2m/s 时，45min 43s，机组报“变桨通讯故障”，刹车程序BP180 脱网；45min 46s，三支桨叶同时报“变桨速度慢”，刹车程序BP190，主轴刹车器制动。同时，还报出了“极限阵风”“变频器超速”；45min 53s 报 “发电机软件超速”“齿轮箱软件超速”；45min 56s 报“转子软件超速”；46min 02s，报由硬件控制的“发电机刹车200超速”、软件参数控制的“齿轮箱刹车200 超速”、安全链断开；46min 04s，报由软件参数控制的“转子刹车200 超速”和“叶片不能回到限位开关”（Mita 状态码1159）故障；46min 16s，报“刹车200 停机执行时间过长”； 46min39s，机组报“电网掉电故障”。事发时，机组高速轴的最高转速为2971rpm。

由于机组在事发时没有烧毁、倒塌，给事故分析留下了不少有价值的信息和证据：在机舱控制柜检查发现，旁路限位开关回路被改线，强行提供24V 直流（注：紧急顺桨控制线路被修改了），飞车过程中又报出了“叶片不能回到限位开关（1159）”故障，这两者之间相互应征，证明在事发前就埋下了安全隐患；事发时没有报“变桨自主运行”；因通讯滑环从基座处完全断裂，即：轮毂的交流400V 供电、机舱与轮毂的所有通信与控制接线全部断裂。

三、某风电场的机组倒塌事故

据目击者称：“事发时，事故机组叶轮转速比相邻机组快很多，且有异响，维持了大约十几分钟，然后，突然从第二节塔筒中下部折断倒塌。在机组倒塌过程中，伴随有火光及冒烟，马上又灭了”。从邻近机组了解到，事发时的风速不大，约为8 m/s － 9m/s。

现场勘察发现，三支叶片均在零度位置，没有顺桨。主轴刹车上方机舱内壁的保温层有烧灼痕迹，主控模块严重损坏，内部电池脱落、数据丢失；从变频器上的数据可知，事发时机组的最高转速为2406rpm。

原因分析

首先，在我国的风电发展初期，不少厂家的生产技术都是从国外引进，在没有来得及完全转化和吸收的情况下，就投入了大规模生产。不少的技术关键点仍未掌握，多个事故已经发生。其次，不少风电企业是从其他行业迅速转向，其管理理念和体制却未能及时转变。再者，我国风电企业的研发、技术人员实践经验不足，现场人员的经验和技术水平有待提高。因此，事发之前，机组的安全隐患未能及时发现和排除；事发之后，未能找出真实原因造成同类事故的多次发生。

一、采用电池作备用电源的直流变桨系统的安全性高

直流变桨系统，在紧急（电池）顺桨时，无需把备用电源的能量经过轮毂驱动器逆变成交流，只需通过继电器吸合直接将备用电源切换到直流电机，没有逆变环节，顺桨安全性增加。这种紧急顺桨方式是交流变桨系统所不具备的。

在该直流变桨系统的轮毂驱动器上，接有直流和交流400V 两种供电电源。当交流400V 供电正常时，由交流供电。在出现瞬间电网故障，机组进入低电压穿越需进行正常调桨；或外界断电，需通过轮毂驱动器上的直流供电进行停机顺桨时，均利用轮毂驱动器上的备用直流电源。

当机组因故不能切换到正常的备用直流电源顺桨，在紧急顺桨时，如轮毂控制器与主控之间的通讯正常，可通过主控再发指令使叶片回到90°；如主控与轮毂控制器的通讯再次出现故障，机组转速超过一定数值，触发硬件超速模块动作，超速信号传给轮毂控制器，由轮毂控制器控制使三支叶片按照规定的顺桨速度回90°。

有的直流变桨系统（第1 节“三桨叶同时不能顺桨引发的飞车事故”的事例二中机组采用的变桨系统），还有轮毂驱动器的电池顺桨。即：机组因故不能切换到正常紧急顺桨回路时，当轮毂驱动器上的400V 交流供电的电压过低或断开时，在轮毂驱动器内直接把电池与轮毂电机导通，实现轮毂驱动器的电池顺桨，叶片回到92°限位开关位置。这也是交流变桨系统所不具备的。

以上分析可知，直流变桨系统出现三支桨叶同时不能顺桨的概率极低。

二、飞车、倒塌及烧毁实例分析

第1 节“三桨叶同时不能顺桨引发的飞车事故”中, 事例二不仅事发时的主控数据完善，而且还找到了事发的直接证据；事例一和事例三因主控数据丢失，机组烧毁、倒塌，只能通过同类机组的长期维修经验及与观察事发时的特殊现象，判断事故发生原因。事故时与事例二存在相同的情况——三支叶片同时不能顺桨。

综合考虑机组运行原理和各种现象，三起事故的共同特点如下：首先，事故机组的电池顺桨控制回路，或旁路限位开关回路存在被强行供电的安全隐患，在机组执行高级别刹车程序时，不能切换到正常的电池顺桨回路。其次，事发时，机组出现“变桨通讯故障”，主控与轮毂变桨因此失去联系，不能通过主控指令使叶片回到90°位置。再次，机组超速时，均未能执行“变桨自主运行”程序，又再次失去顺桨的机会。因此，机组在风速较大时顺利地闯过了所有保护设置，造成三支桨叶同时不能顺桨，最终造成事故发生。

第1 节“三桨叶同时不能顺桨引发的飞车事故”中，三个事例发生的简略过程分别如下：

事例一中的机组报“变桨通讯故障”后，刹车程序BP180，由机舱、主控控制的交直流供电顺桨方式均不能执行，其后，机组再报“变桨速度太慢”，刹车程序BP190，主轴刹车器参与制动，并在30s 之后刹车器自动松开。该机组使用的是被动式刹车器，制动力为两倍满负荷扭矩，因此，在机组冒烟的同时完全停下来了，此时三支桨叶都在0°位置，当主轴刹车器再次松开，机组迅速启机。由于当时的风速较大，带着巨大的加速度的叶轮转速迅速上升，达到2400rpm硬件超速设定值，主轴刹车器再次制动，此时制动时产生的热量使机组燃烧，产生的巨大翻转扭矩使机组倒塌。

事例二中，机组在45min 43s，报“变桨通讯故障”，刹车程序BP180 脱网，不能顺桨；45min 46s，三支桨叶同时报“变桨速度慢”，刹车程序BP190，主轴刹车器制动。当时风速较大（15.2m/s），加之该机组使用的是主动式刹车器，其制动力仅为事例二倍满负荷扭矩，主轴刹车器已不能使机组停下来。制动力矩使刹车器、刹车盘、刹车器罩壳大面积脱落并砸在通讯滑环上，在主轴刹车器制动期间机组转速还在不断上升，18s 后，即：46min 02s，机组转速升至硬件超速设定值，BP200，最高转速超过2900rpm，机组振动加剧，最终导致通讯滑环完全断裂，电池顺桨到92°限位开关位置。由于飞车的时间及主轴刹车器制动的时间不长，未出现长时间持续高温，避免了机组燃烧。在BP190 主轴刹车器制动18s（小于30s）后就升至BP200，没有出现主轴刹车器松开后又再次制动产生的巨大冲击扭矩，因此，机组并未倒塌。

在事发前，存在旁路限位开关回路被强行提供24V直流的安全隐患；事发时出现“变桨通讯故障”以及未执行“变桨自主运行”程序；事发过程中出现“通讯滑环完全断裂” ，因轮毂400V交流供电断开，执行轮毂驱动器的电池顺桨，或因旁路限位开关回路的强行供电断开，执行正常的直流（紧急）顺桨，叶片顺桨到92°限位开关位置。具体按哪种情况执行，则与线路断开的时间先后有关，如瞬间同时断裂，则应按正常的电池顺桨方式执行。由此可见，对于以上飞车事发时的应急处理方式有：断UPS使机组切换到正常的直流顺桨；断箱变启动轮毂驱动器的电池顺桨。

当出现“变桨通讯故障” 或未执行“变桨自主运行”停机程序，主控均不会报“变桨自主运行”故障。而事故机组因未执行“变桨自主运行”，从而造成了飞车事故的发生。

事例三的机组报“变桨通讯故障”停机脱网，但不能顺桨，再报“变桨速度太慢”主轴刹车器制动，30s 后松开并一直处于打开状态，其后，在长达10 多分钟的时间内，机组处于超速、空转的状态，而转速一直低于2400rpm。当风速增大，转速超过2400rpm，主轴刹车器制动，最高转速也仅升至2406rpm，然而，因机组已长时间超速、摇晃，制动瞬间又产生了巨大的翻转扭矩从而促成机组倒塌。由于主轴刹车器制动的时间很短，仅有冒烟和火花，机组并未烧毁。

预防措施

在机组运维时，应重点检查机组的安全隐患和排除安全性故障。杜绝为追求发电量而不顾机组安全情况的发生。

一、紧急顺桨控制回路故障的产生及处理

从现场的故障处理经验来看，紧急顺桨控制回路故障可能源自：风电机组控制柜、轮毂的生产接线错误；机组运行过程中产生的故障；维修人员不适当的故障处理方式，或维护人员在维护时的错误改线造成机组在紧急顺桨时，叶片不能按正常的电池顺桨回路进行顺桨。

定期在风电场或者通过远程对机组安全系统进行检查，检查机组是否能顺利通过自检，当机组自检报“叶片不能回到限位开关（1159）”故障时，应重点予以排除。

二、主控、变桨控制程序的改进措施

对主控的刹车程序BP190 进行改进。按照该控制器的原设置，执行紧急顺桨的同时辅助以主轴刹车器制动，无论叶片是否回到限位开关位置，执行该刹车程序30s 后，主轴刹车器会无条件地松开。由此，若叶片能顺利回到限位开关位置，及时松开主轴刹车器，有利于保护齿轮箱和机组安全，但是，如果叶片没有回到限位开关位置，则可能危及机组安全。

正如本文的第1 节“三桨叶同时不能顺桨引发的飞车事故”中的的事例一那样，如果把主控程序修改为：只有当叶片到达92°限位开关位置，主轴刹车器才会松开；如叶片没有到达92°限位开关位置，主轴刹车器则不松开，这样事例一中的事故机组就不会出现再次“迅速启机”，机组烧毁、倒塌事故便不会发生。

三例事故的共同点是：在紧急顺桨控制回路和变桨通讯同时出现故障后，因轮毂控制器的“变桨自主运行”顺桨程序执行条件过于苛刻，不能满足。因此，该顺桨停机程序不能执行，从而造成了机组飞车、倒塌和烧毁事故的发生。

因此，需修改、完善轮毂控制器的“变桨自主运行”停机程序。尤其是当出现“变桨通讯故障”后，机组又出现超速时，应确保“变桨自主运行”停机程序的顺利执行。即：把“变桨自主运行”停机程序的“进桨”“顺桨”限制条件进行完善或去除。为确保出现紧急顺桨控制回路和变桨通讯同时故障时的机组安全，可增加轮毂控制器对“变桨通讯”故障的判断。当轮毂控制器判断有变桨通讯故障时，轮毂则执行“变桨自主运行”停机程序，这样，当机组正常时，执行正常的紧急顺桨停机，如紧急顺桨控制回路和变桨通讯同时故障时，能通过执行“变桨自主运行”停机程序使机组顺桨，冗余保证机组安全运行。

结语

为减少机组故障，避免重大事故的再次发生，应充分理解、消化和吸收国内外先进的风电技术，结合国内风电机组生产、运行的状况，建立良好的风电场管理体制，提高现场人员的技术水平及机组维护和维修质量，定期重点检查事故多发的关键部位，让消除安全隐患落到实处。